Определение оптимальных рабочих параметров экстрактивной ректификации по схеме с использованием разделяющего агента во второй колонне. Рассмотрим технологическую схему разделения четырехкомпонентной азеотропной смеси с использованием тяжелолетучего экстрактивного агента, представленную на рис. 10. Рис. 10. Принципиальная схема разделения четырехкомпонентной азеотропной смеси Исходная смесь, содержащая циклогексан, бензол, этилбензол, н-пропилбензол, поступает на разделение в колонну 1, где происходит отделение зеотропной и азеотропной составляющих друг от друга.
Верхним продуктом колонны 1 является фракция азеотропообразующих компонентов - циклогексан-бензол, а кубовым продуктом - смесь этилбензола и н-пропилбензола, которая далее разделяется в простой двухсекционной колонне 4. Разделение смеси циклогексан - бензол происходит с применением традиционного комплекса экстрактивной ректификации с тяжелолетучим разделяющим агентом анилин. Азеотропную смесь подают в середину колонны 2, а экстрактивный агент - в верхнюю её часть.
Таким образом, происходит выделение циклогексана в качестве дистиллата колонны 2. Оставшуюся смесь бензола и анилина разделяют в колонне регенерации 3, бензол отбирают с верха колонны, а экстрактивный агент - с низа и направляют на рецикл в колонну 2. Рассматриваемая технологическая схема относится ко второй группе схем экстрактивной ректификации, в которой первоначально происходит фракционирование смеси, а разделяющий агент применяется во второй колонне.
Снижение энергозатрат на разделение рассмотренной технологической схемы можно добиться нахождением оптимальных параметров работы её экстрактивного комплекса при фиксированных количестве, составе и температуре исходной смеси и заданном качестве продуктовых потоков необходимо определить оптимальные температуру, расход ЭА, а также уровни ввода исходной смеси и разделяющего агента. Все расчеты проводили на 100 кг ч четырехкомпонентной смеси эквимолярного состава.
Качество продуктовых фракций задавали равным 99 мольн. целевого компонента, экстрактивного агента - 99,9 . Разделяемую смесь подавали в колонну при температуре кипения.
На первом этапе мы исследовали влияние на энергозатраты температуры подачи в колонну ЭР при фиксированном соотношении исходная смесь ЭА 1 2. Мы рассчитали энергозатраты при температурах подачи ЭА в колонну 60, 70, 80, 90 и 100 С. При этом для каждой температуры определили положение тарелок питания, при котором энергопотребление в кубе минимально.
Результаты расчета приведены в табл.10 и рис. 11. Таблица 10. Изменение энергозатрат в зависимости от температуры подачи экстрактивного агента.
F ЭА 1 2 Температура подачи ЭА, 0С NЭА NF Флегмовое число колонны 2 Энергозатраты, ГДж час колонны 2 суммарные 100 4 11 1.01 2.13 11.17 90 4 11 0.58 2.17 11.21 80 5 11 0.33 2.33 11.36 70 4 12 0.25 2.59 11.63 60 4 11 0.18 2.83 11.86 Рис. 11.Изменение энергозатрат в зависимости от температуры подачи ЭА Видно, что оптимальное положение тарелок подачи исходной смеси и ЭА практически не изменяется с изменением температуры последнего.
Флегмовое число с увеличением ТЭА растет. Это связано с тем, что при более высокой температуре возрастает концентрация ЭА в укрепляющей секции колонны и для получения циклогексана заданного качества требуется возвращать в колонну больший поток флегмы. В данном случае суммарные энергозатраты и энергозатраты в кубе колонны 2 растут с уменьшением температуры, что видно из рисунка 11. Далее мы рассмотрели зависимость энергозатрат на разделение в зависимости от температуры подачи ЭА и расхода ЭА. В табл. 11 и рис 12 представлена зависимость энергозатрат для фиксированной температуры и уровней подачи ЭА и питания.
Таблица 11. Зависимость энергозатрат от расхода ЭА при температуре его подачи 100єС. Уровни подачи NЭА NF 4 11 Расход ЭА, моль час Флегма колонны 2 Энергозатраты, ГДж ч Колонны 2 Суммарные 50 1,49 1,92 10,41 60 1,48 1,87 10,37 70 1,31 1,80 10,32 80 1,23 1,75 10,32 90 1,18 1,75 10,35 100 1,15 1,76 10,40 Рис.12. Зависимость энергозатрат на разделение в зависимости от температуры подачи ЭА Видно, что существует оптимальное количество подаваемого разделяющего агента.
Для температуры 100 С оно составляет 80 моль час. Появление минимума на зависимости энергозатрат подробно обсуждалось в предыдущем случае. Далее рассмотрим изменение энергопотребления от расхода ЭА при различных температурах. Результаты представим в табл. 12. Таблица 12. Зависимость энергозатрат на разделение от ТЭА и расхода ЭА, NЭА NF 4 11 Температура подачи ЭА, оС Опт расход ЭА, моль час Флегмовое число колонны 2 Энергозатраты, ГДж час колонны 2 суммарные 100 80 1.23 1.75 10.32 90 80 1.04 1.75 10.32 80 80 0.86 1.75 10.32 70 70 0.84 1.73 10.27 60 60 0.66 1.67 10.17 Видно, что при различных ТЭА значение оптимального расхода РА практически не изменяется.
При уменьшении температуры от 100 до 60 0С флегмовое число уменьшается, достигая минимального значения при 100 0С. Оптимальный расход ЭА равен 60 моль час. Рассмотрим зависимость расхода ЭА и энергозатрат от уровней подачи ЭА и смеси.
Таблица 13. Зависимость величины минимального и оптимального расхода ЭА от его температуры и положения тарелок питания NЭА NF Расход ЭА, моль час Энергозатраты в кубе, ГДж ч Оптимальный Минимальный при опт. расходе при мин. расходе Т 100 0С 4 10 60 50 10.163 10.169 4 11 80 50 10.318 10.411 4 12 90 50 10.677 11.299 5 10 60 50 10.158 10.159 5 11 80 50 10.315 10.378 5 12 100 50 10.666 11.193 Т 900С 4 10 60 50 10.164 10.170 4 11 80 50 10.319 10.412 4 12 100 50 10.669 11.299 5 10 50 50 10.159 10.159 5 11 80 60 10.315 10.378 5 12 100 60 10.667 11.192 Т 800С 4 10 60 50 10.164 10.173 4 11 80 50 10.319 10.422 4 12 100 50 10.670 11.300 5 10 60 50 10.160 10.161 5 11 80 50 10.319 10.422 5 12 100 50 10.667 11.193 Т 700С 4 10 60 50 10.164 10.174 4 11 80 50 10.319 10.423 4 12 100 50 10.670 11.343 5 10 60 50 10.162 10.161 5 11 80 50 10.317 10.389 5 12 100 60 10.667 11.193 Т 600С 4 10 60 50 10.165 10.177 4 11 80 50 10.321 10.423 4 12 100 50 11.300 13.487 5 10 60 50 10.162 10.164 5 11 80 50 10.317 10.389 5 12 100 50 10.668 11.193 При снижении температуры расположение тарелок подачи не изменяется 5 10 , оптимальный расход равен 60 моль час. Минимальные суммарные энергозатраты достигаются при температуре 100 0С. Рассмотрим изменение энергозатрат на разделение от положения тарелки питания в колонне регенерации при различных температурах подачи экстрактивного агента.
Результаты представим в табл. 14. Таблица 14. Зависимость энергозатрат в колонне регенерации от положения тарелки питания Температура, оС тарелки питания Энергозатраты, ГДж ч 100 4 10.752 90 4 10.763 80 4 10.744 70 4 10.759 60 4 10.745 При различных температурах уровень подачи остается неизменным.
Оптимальная тарелка питания в колонне регенерации 4. Таким образом, данная технологическая схема имеет минимальное энергопотребление при следующих рабочих параметрах температура подачи ЭА 100 оС оптимальный расход ЭА 60 моль ч F ЭА 1 0,6 NЭА NF 5 10 тарелка питания колонны регенерации - 4.